Исследователь разрабатывает биотехнологию на основе уха летучей мыши

Рольф Мюллер, профессор машиностроения в Технологическом институте Вирджинии, черпал вдохновение у летучих мышей, чтобы спроектировать и разработать новую биотехнологию, которая может определить место происхождения звука. В отличие от предыдущих подходов, которые часто основаны на человеческом ухе, Мюллер исследовал ухо летучей мыши, чтобы получить первое новое представление об определении местоположения звука за 50 лет. 

«Я давно восхищаюсь летучими мышами за их сверхъестественную способность ориентироваться в сложной природной среде на основе ультразвука и подозреваю, что необычная подвижность ушей животного может иметь к этому какое-то отношение», — сказал он. 

К Мюллеру присоединился бывший аспирант и ведущий автор Сяоянь Инь. Выводы были опубликованы в Естественная машинная разведка.

Летучая мышь против человеческого уха 

Летучие мыши полагаются на эхолокацию для навигации во время полета, и это позволяет им определять расстояние до объекта, слушая эхо, когда он издает звуки. Рот или нос летучей мыши издают ультразвуковые сигналы, которые отражаются от окружающей среды и возвращаются в виде эха. Названный эффектом Доплера, они также могут извлекать информацию из окружающих звуков.

Этот эффект отличается, когда речь идет о людях: наши два уха позволяют нам определять местоположение с помощью звуковых данных, которые поступают в мозг для обработки. Имея два приемника, мы можем определять направление звуков, когда они содержат только одну частоту. 

В 1967 году открытие показало, что одно человеческое ухо может определять местоположение звуков, если они имеют разные частоты. 

В прошлом человеческое ухо было источником вдохновения для различных подходов к определению местоположения звука, которые основывались на приемниках давления, таких как микрофоны, и способности собирать несколько частот. 

Мюллер увидел, что у летучих мышей больше возможностей, поскольку они гораздо более универсальны, чем человеческие уши. Его команда решила использовать одну частоту и один приемник вместо нескольких. 

Разработка технологии

Одним из первых шагов было воссоздание способности летучей мыши двигать ушами, что они и сделали, создав мягкое синтетическое ухо, прикрепленное к веревке и простому двигателю. Эта система была синхронизирована с трепетанием уха всякий раз, когда оно получало входящий звук. 

Летучие мыши, которые послужили источником вдохновения для новой технологии, имеют уши с полной трансформацией звуковых волн, которая основана на форме внешнего уха. Эта часть уха летучей мыши использует движение уха при приеме звука, чтобы создать несколько форм для приема, при этом звук направляется в слуховой проход. 

Одной из самых больших проблем, с которой столкнулась команда, было извлечение читаемых и интерпретируемых данных из входящих звуковых волн. Для этого они поместили ухо над микрофоном, чтобы создать механизм, аналогичный летучей мыши. 

Из-за быстрых движений трепещущего наружного уха были созданы сигнатуры доплеровского сдвига, связанные с направлением источника звука. Однако интерпретировать его все равно было непросто из-за сложных закономерностей. 

Затем команда обратилась к глубокой нейронной сети, обучая ее определять направление источника с каждым полученным эхом. 

Система была протестирована с ухом, установленным на вращающейся установке, которая включала лазерную указку. Затем громкоговоритель располагали в разных направлениях относительно уха и издавали звуки. 

После определения направления звука управляющий компьютер повернул систему так, чтобы лазерный указатель попал в цель на громкоговорителе, в результате чего местоположение было определено с точностью до половины градуса. Это впечатляет по сравнению с предыдущими результатами, которые показали, что человеческое ухо обычно определяет местоположение в пределах 9 градусов, а современные технологии смогли определить его только в пределах 7.5 градусов. 

«Возможности полностью выходят за рамки того, что в настоящее время доступно технологиям, и все же все это достигается с гораздо меньшими усилиями», — сказал Мюллер. «Мы надеемся обеспечить надежную и мощную автономию в сложных условиях окружающей среды, включая точное земледелие и лесное хозяйство; экологический надзор, например мониторинг биоразнообразия; а также приложения, связанные с обороной и безопасностью».